复杂水下环境勘查集群仿生机器人关键技术及应用

随着“海洋强国”、“一带一路”等一系列国家重大发展战略的提出，水下作业日益增多。针对水下机器人存在续航能力弱、作业效率低、环境扰动大、机动性能差等问题，项目组结合鱼类推进机理和机器人技术，研发了适用于复杂水下勘查的鱼型仿生机器人，解决了该领域面临的三大核心挑战：

1. 以长航时、低扰动水下巡游为目标，解决仿生材料和仿生结构设计问题；
2. 以高精准、高机动性水下勘查为目标，解决自主导航定位和精准智能控制问题；
3. 以分布式、高效率水下作业为目标，解决多机航路规划和编队问题。

该项目在国家自然科学基金、教育部重点实验室项目、江苏省人才计划和企业科技支撑项目等10项项目资助下，历时6年科研攻关，在鱼型水下仿生机器人软体亲水型材料、仿生结构与多关节驱动推进设计、基于惯性基的水下组合导航定位技术、基于群体智能协同的水下勘查决策等方面取得重大突破：

1. 软体亲水型仿生材料：首创了将结构仿生与材料仿生相结合的处理方法，突破了仿生鱼皮耐压低、防水性能差、减阻效果弱的技术瓶颈；首次研制出机器鱼新型肌肉材料，解决了仿生肌肉在提高柔性、减少湍流、快速形变等方面的技术难题，填补国内空白。

2. 仿生结构与驱动推进机构：自主设计了柔性多关节鱼形仿生机器人结构，有效减小流体阻力；首次提出基于实时姿态信息的伺服驱动控制方法，解决了水下仿生机器人在复杂环境下电机频繁换向和缺相故障问题，提高了机器人的稳定性及可靠性。

3. 捷联惯性组合导航定位技术：发明捷联惯导快速对准估计方法，兼顾了对准精度与实时性；提出基于特定运动轨迹激励的安装误差标校方法，解决了多源信息融合空间一致性问题；设计基于智能控制的多源信息自适应滤波器，实现信息源的即插即用，在该领域达到国际先进水平。

4. 群体智能协同勘查决策机制：发明了水下分布式集群航路规划和编队方法，解决了水下机器人航路规划效率低、准确性差，多机编队集结速度慢的技术难题。建立多机协同单体响应机制，发明三维空间复杂机动智能控制方法，突破了水下机器人在姿态稳定、快速起动、灵活转向等关键技术难题。

专利、论著情况：项目已授权专利61件（发明21件），发表SCI/EI高水平论文30余篇，6件软件著作权登记，省/市重点新产品新技术5项。作为标准牵头或参与单位，制定1项行业标准，填补了国内仿生机器人行业标准空白，促进了行业科技进步。

技术经济指标：

1. 转向速度高于国外同类产品20%；以机器人体长计，转弯半径为同类产品70%；
2. 整体推进效率由螺旋桨推进方式的平均效率40%提高到80%；
3. 初始对准时间缩短5倍，动态对准精度提高10%，达到国内领先水平；
4. 多水下仿生机器人集群组网数量>32个，整体作业效率提高5倍，达到国际领先水平；
5. 设备价格为国外同种规格仿生机器人的50%，经济效益显著。

应用推广及效益：成果被交通运输部水运科学研究所、河北海事局等单位应用，在水下污染物追踪、水下沉潜油探测、水下搜救勘查等领域得到了广泛推广，市场占有率超过60%。项目产品已远销美日欧等国家，具有显著的国际市场竞争力。

随着“海洋强国”、“一带一路”等一系列国家重大发展战略的提出，水下作业日益增多，针对水下机器人存在续航能力弱、作业效率低、环境扰动大、机动性能差等问题，项目组结合鱼类推进机理和机器人技术，研发了适用于复杂水下勘查的鱼型仿生机器人，解决了该领域面临的三大核心挑战：(1)以长航时、低扰动水下巡游为目标，解决仿生材料和仿生结构设计问题；(2)以高精准、高机动性水下勘查为目标，解决自主导航定位和精准智能控制问题；(3)以分布式、高效率水下作业为目标，解决多机航路规划和编队问题。 该项目在国家自然科学基金、教育部重点实验室项目、江苏省人才计划和企业科技支撑项目等10项项目资助下，历时6年科研攻关，在鱼型水下仿生机器人软体亲水型材料、仿生结构与多关节驱动推进设计、基于惯性基的水下组合导航定位技术、基于群体智能协同的水下勘查决策等方面取得重大突破：(1)软体亲水型仿生材料：首创了将结构仿生与材料仿生相结合的处理方法，突破了仿生鱼皮耐压低、防水性能差、减阻效果弱的技术瓶颈；首次研制出机器鱼新型肌肉材料，解决了仿生肌肉在提高柔性、减少湍流、快速形变等方面的技术难题，填补国内空白。(2)仿生结构与驱动推进机构：自主设计了柔性多关节鱼形仿生机器人结构，有效减小流体阻力；首次提出基于实时姿态信息的伺服驱动控制方法，解决了水下仿生机器人在复杂环境下电机频繁换向和缺相故障问题，提高了机器人的稳定性及可靠性。(3)捷联惯性组合导航定位技术：发明捷联惯导快速对准估计方法，兼顾了对准精度与实时性；提出基于特定运动轨迹激励的安装误差标校方法，解决了多源信息融合空间一致性问题；设计基于智能控制的多源信息自适应滤波器，实现信息源的即插即用，在该领域达到国际先进水平。(4)群体智能协同勘查决策机制：发明了水下分布式集群航路规划和编队方法，解决了水下机器人航路规划效率低、准确性差，多机编队集结速度慢的技术难题。建立多机协同单体响应机制，发明三维空间复杂机动智能控制方法，突破了水下机器人在姿态稳定、快速起动、灵活转向等关键技术难题。 专利、论著情况：项目已授权专利61件(发明21件)，发表SCI/EI高水平论文30余篇，6件软件著作权登记，省/市重点新产品新技术5项。作为标准牵头或参与单位，制定1项行业标准，填补了国内仿生机器人行业标准空白，促进了行业科技进步。 技术经济指标：(1)转向速度高于国外同类产品20％；以机器人体长计，转弯半径为同类产品70％；(2)整体推进效率由螺旋桨推进方式的平均效率40％提高到80％；(3)初始对准时间缩短5倍，动态对准精度提高10％，达到国内领先水平；(4)多水下仿生机器人集群组网数量>32个，整体作业效率提高5倍，达到国际领先水平；(5)设备价格为国外同种规格仿生机器人的50％，经济效益显著。 应用推广及效益：成果被交通运输部水运科学研究所、河北海事局等单位应用，在水下污染物追踪、水下沉潜油探测、水下搜救勘查等领域得到了广泛推广，市场占有率超过60％。项目产品已远销美日欧等国家，具有显著的国际市场竞争力。